JP2006009723A

JP2006009723A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2006009723A
Application number: JP2004189553A
Authority: JP
Inventors: Takashi Amano; 貴士天野; Tomohiro Shinagawa; 知広品川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: JP4341488B2

Abstract

【課題】内燃機関において、燃焼室の壁面等へのデポジットの堆積を抑制する一方で、出力を向上することができると共に燃費の低減を可能とする。
【解決手段】吸気ポート１９を通して燃焼室１８に高圧燃料を噴射可能なインジェクタ２７を吸気弁２１の近傍に設け、エンジン１１の低負荷運転状態に、ピストン１５の圧縮行程時における上死点近傍で吸気弁２１により吸気ポート１９を開放すると共に、インジェクタ２７により高圧燃料を噴射するようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの運転状態に応じて燃料をピストンの吸気行程や圧縮行程で燃料を噴射可能な内燃機関に関するものである。

一般的な内燃機関では、燃料を吸気ポートに噴射して空気と混合し、ピストンの吸気行程における吸気弁の開放時に吸気ポートの混合気を燃焼室に吸入し、圧縮行程時にこの混合気が圧縮されてから火花着火されて爆発し、排気行程における排気弁の開放時に、排気ガスを排気ポートから外部に排出するようにしている。ところが、このポート噴射式の内燃機関では、燃料を吸気ポートに噴射して空気と混合してからこの混合気を燃焼室に導入するため、均質燃焼を実現可能であるものの、リーンな空燃比で成層燃焼を実現することができず、燃費の向上を図ることができない。

一方、燃料を吸気ポートではなく、燃焼室に直接噴射する筒内噴射式の火花点火内燃機関が知られており、この筒内噴射式の内燃機関では、圧縮行程中に燃焼室に燃料を噴射してリーンな空燃比で成層燃焼を実行可能であると共に、吸気行程中に燃焼室に燃料を噴射して均一な混合気を形成する均質燃焼が実現可能となっている。即ち、内燃機関の低負荷運転領域では、ピストンの吸気行程における吸気弁の開放時に、吸気ポートの空気を燃焼室に吸入し、この吸入空気が圧縮行程時に圧縮され、この高圧空気に対して燃料を直接噴射して混合され、この混合気が点火プラグに導かれて着火される。一方、内燃機関の高負荷運転領域では、ピストンの吸気行程における吸気弁の開放時に、吸気ポートの空気を燃焼室に吸入すると共に、この吸入空気に対して燃料を直接噴射し、圧縮行程時にこの混合気が圧縮されてから火花着火される。

なお、この筒内噴射式の内燃機関としては、例えば、下記特許文献１に記載された技術がある。

特開平１１−０２２５３４号公報

ところが、上述した従来の筒内噴射式の内燃機関にあっては、燃料を高温状態にある燃焼室に直接噴射するため、燃料噴霧がこの燃焼室の壁面やピストンの頂面に付着して燃焼が悪化することで、スモーク発生や燃費悪化の原因となっている。また、この燃焼悪化により燃焼室内にデポジットが堆積しやすく、燃料噴射弁の先端部にデポジットが堆積すると、燃料噴霧の特性や燃料流量が変化してエンジン性能に悪影響をもたらし、点火プラグの先端部にデポジットが堆積すると、混合気に対して確実に着火することができなくなってしまう。更に、筒内噴射式の内燃機関では、低負荷運転領域にあるときには成層燃焼を実現することができるものの、ピストンスピードが高速となる中・高負荷運転領域ではこの成層燃焼を実現することは困難であり、また、燃焼室に噴射された燃料の気化時間が短いために均質燃焼であっとも燃焼悪化が問題となってしまう。

なお、上述したポート噴射式と筒内噴射式の内燃機関の各利点を活用すべく、吸気ポートに燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する第２燃料噴射弁とを有し、内燃機関の運転状態に応じてポート噴射と筒内噴射を切り換えるようにした内燃機関も提案されている。しかし、複数種類の燃料噴射弁を設けることはコストアップが懸念されると共に、第１燃料噴射弁を用いてポート噴射だけを実行しているときは、先端部が燃焼室に臨む第２燃料噴射弁は停止状態にあるため、デポジットが更に付着しやすく適正な燃料量を噴射することができなくなる。

本発明は、このような問題を解決するものであって、燃焼室の壁面等へのデポジットの堆積を抑制する一方で、出力を向上することができると共に燃費の低減を可能とした内燃機関を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内燃機関は、燃焼室と、該燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートと、ピストンの吸気行程時及び圧縮行程時に前記吸気ポートを開放する吸気弁と、前記ピストンの排気行程時に前記排気ポートを開放する排気弁と、前記吸気ポートを通して前記燃焼室に高圧燃料を噴射可能な高圧燃料噴射手段と、内燃機関の運転状態に応じて前記ピストンの圧縮行程時における上死点近傍で前記高圧燃料噴射手段から高圧燃料を噴射する燃料噴射制御手段とを具えたことを特徴とするものである。

また、本発明の内燃機関は、燃焼室と、該燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートと、ピストンの吸気行程時及び圧縮行程時に前記吸気ポートを開放する吸気弁と、前記ピストンの排気行程時に前記排気ポートを開放する排気弁と、前記吸気ポートを通して前記燃焼室に高圧燃料を噴射可能な高圧燃料噴射手段と、内燃機関の運転状態に応じて前記吸気弁により前記吸気ポートを開放すると共に前記高圧燃料噴射手段から高圧燃料を噴射する燃料噴射制御手段とを具え、該燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の低負荷運転領域では、前記圧縮行程時における上死点近傍で前記高圧燃料を噴射し、前記内燃機関の中負荷運転領域では、前記排気行程時または前記吸気行程時と前記圧縮行程時における上死点近傍で前記高圧燃料を噴射し、前記内燃機関の高負荷運転領域では、前記排気行程時または前記吸気行程時に前記高圧燃料を噴射することを特徴とするものである。

本発明の内燃機関では、前記高圧燃料噴射手段は、前記圧縮行程時に前記吸気ポートが開放されることで前記燃焼室から前記吸気ポートに逆流する吸気に対抗して燃料を前記燃焼室に供給可能な圧力で燃料噴射を実行することを特徴としている。

本発明の内燃機関によれば、内燃機関の運転状態に応じてピストンの圧縮行程時における上死点近傍で吸気弁により吸気ポートを開放すると共に、高圧燃料噴射手段により吸気ポートを通して燃焼室に高圧燃料を噴射するようにしたので、吸気ポートの開放時に燃焼室から吸気ポートに逆流する吸気に対抗して高圧燃料を確実に燃焼室に供給することで、点火プラグの周囲に良好な成層混合気を形成することができ、また、圧縮行程時における上死点近傍でこの吸気の逆流が発生することで、実際の圧縮比を下げて膨張比を高くすることができ、その結果、出力を向上することができると共に燃費を低減することができ、また、燃焼室の壁面等への燃料付着によるデポジットの堆積を抑制することができる。

また、本発明の内燃機関によれば、ピストンの吸気行程時及び圧縮行程時に吸気弁により吸気ポートを開放し、内燃機関の低負荷運転領域では、圧縮行程時における上死点近傍で高圧燃料を吸気ポートから燃焼室に供給し、中負荷運転領域では、排気行程時または吸気行程時と圧縮行程時における上死点近傍で高圧燃料を吸気ポートから燃焼室に供給し、高負荷運転領域では、排気行程時または吸気行程時に高圧燃料を吸気ポートから燃焼室に供給するようにしたので、低・中負荷運転領域にて成層燃焼が可能となり、出力を向上することができると共に燃費を低減することができ、また、吸気ポートの開放時に燃焼室から吸気ポートに逆流する吸気に対抗して高圧燃料を確実に燃焼室に供給することで、適度な噴霧蒸発が促進されて燃焼室の壁面等への燃料付着によるデポジットの堆積を抑制することができ、一方、高負荷運転領域では、排気行程時または吸気行程時に高圧燃料を噴射することで、点火までに気流により良好な混合気を形成することができる。

以下に、本発明にかかる内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関を表す概略構成図、図２は、本実施例の内燃機関の低負荷運転領域における燃料噴射タイミングを表すタイムチャート、図３−１は、本実施例の内燃機関の低負荷運転領域における吸気行程を表す概略図、図３−２乃至図３−４は、本実施例の内燃機関の低負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図、図４は、本実施例の内燃機関の中負荷運転領域における燃料噴射タイミングを表すタイムチャート、図５−１は、本実施例の内燃機関の中負荷運転領域における吸気行程を表す概略図、図５−２乃至図５−４は、本実施例の内燃機関の中負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図、図６は、本実施例の内燃機関の高負荷運転領域における燃料噴射タイミングを表すタイムチャート、図７−１は、本実施例の内燃機関の高負荷運転領域における吸気行程を表す概略図、図７−２及び図７−３は、本実施例の内燃機関の高負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図、図８は、本実施例の内燃機関における燃料噴射制御のフローチャート、図９は、本実施例の内燃機関における燃料噴射制御を実行するための運転領域を表す判定マップである。

本実施例において、図１に示すように、内燃機関としてのエンジン１１は火花点火式のエンジンであって、シリンダブロック１２上にシリンダヘッド１３が締結されており、このシリンダブロック１２に形成された複数のシリンダボア１４にピストン１５がそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１２の下部にクランクシャフト１６が回転自在に支持されており、各ピストン１５はコネクティングロッド１７を介してこのクランクシャフト１６にそれぞれ連結されている。

燃焼室１８は、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１３とピストン１５により構成されており、この燃焼室１８の上部、つまり、シリンダヘッド１３の下面に吸気ポート１９及び排気ポート２０が対向して形成されており、この吸気ポート１９及び排気ポート２０に対して吸気弁２１及び排気弁２２の下端部が位置している。従って、この吸気弁２１及び排気弁２２が所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１９及び排気ポート２０を開閉し、吸気ポート１９と燃焼室１８、燃焼室１８と排気ポート２０とをそれぞれ連通することができる。

そして、吸気ポート１９には、インテークマニホールド２３を介して吸気管２４が連結されており、この吸気管２４の空気取入口にはエアクリーナ２５が取付けられると共に、このエアクリーナ２５の下流側にスロットル弁を有する電子スロットル装置２６が設けられている。また、シリンダヘッド１３には、吸気弁２１の近傍に位置して高圧燃料を噴射可能なインジェクタ（高圧燃料噴射手段）２７が装着されると共に、燃焼室１８の上方に位置して混合気に着火する点火プラグ２８が装着されている。このインジェクタ２７は、所定圧力（例えば、１２ＭPa）まで加圧された高圧燃料を噴射可能であって、吸気弁２１による吸気ポート１９の閉止時には、高圧燃料を吸気ポート１９に噴射可能であり、吸気弁２１による吸気ポート１９の開放時には、高圧燃料を吸気ポート１９を通して燃焼室１８に噴射可能となっている。

一方、排気ポート２０には、エギゾーストマニホールド２９を介して排気管３０が連結されており、この排気管３０には排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を浄化処理する触媒装置３１が装着されている。

また、車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）３２が搭載されており、このＥＣＵ３２は、燃料噴射制御手段として機能し、インジェクタ２７の燃料噴射タイミングや点火プラグ２８の点火時期などを制御可能となっており、検出した吸入空気量、スロットル開度(またはアクセル開度)、エンジン回転数などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定している。即ち、吸気管２４の上流側にはエアフローセンサ３３が装着され、計測した吸入空気量をＥＣＵ３２に出力している。また、電子スロットル装置２６は現在のスロットル開度をＥＣＵ３２に出力しており、エンジン回転数センサ３４は検出したエンジン回転数をＥＣＵ３２に出力している。

このように構成された本実施例のエンジン１１にて、吸気弁２１は図示しない吸気カムにより駆動されて所定のタイミングで吸気ポート１９を開閉可能であるが、この吸気カムは２段開きのリフト特性を有しており、吸気弁２１は吸気行程で吸気ポート１９を開放すると共に、圧縮行程の上死点近傍で吸気ポート１９を開放する。そして、ＥＣＵ３２は、エンジン１１の運転状態に応じてインジェクタ２７を駆動制御し、吸気行程、圧縮行程、または吸気行程及び圧縮行程で燃料噴射を実行するようにしている。この場合、圧縮行程時の吸気弁２１の開放時間及び開放量（リフト量）は、吸気行程時に比べていずれも小さいもので設定されている。

エンジン１１の低負荷運転領域では、図２に示すように、吸気弁２１が吸気行程で吸気ポート１９を開放すると共に、圧縮行程の上死点近傍（ＴＤＣ近傍）で吸気ポート１９を開放し、インジェクタ２７は圧縮行程の上死点近傍でのみで高圧燃料を噴射してから、点火プラグ２８により点火されることとなる。即ち、エンジン１１の低負荷運転領域は成層運転領域であり、リーン運転を実現することができる。

詳細に説明すると、図３−１に示すように、ピストン１５が下降する吸気行程で、吸気弁２１により吸気ポート１９が開放されると、吸気ポート１９の空気が燃焼室１８内に吸入される。そして、図３−２に示すように、ピストン１５が上昇する圧縮行程にて、その上死点近傍で吸気弁２１により吸気ポート１９が開放されると共に、インジェクタ２７から高圧燃料が噴射される。すると、この高圧燃料噴霧は、吸気弁２１に衝突しないように吸気ポート１９を貫通し、燃焼室１８における点火プラグ２８の近傍に至る。この場合、高圧燃料噴霧が点火プラグ２８の電極部に直接衝突しないように、インジェクタ２７の噴射方向を考慮する必要がある。また、このとき、燃焼室１８に比べて吸気ポート１９が低圧状態にあるため、燃焼室１８から吸気ポート１９への若干の混合気の逆流が発生するが、インジェクタ２７から噴射される燃料は高圧であるため、高圧燃料は混合気に逆流に対抗して確実に燃焼室１８に供給され、このときに燃料の適度な噴霧蒸発が促進される。

そして、図３−３に示すように、この圧縮行程にて、インジェクタ２７からの高圧燃料噴射が終了すると共に吸気弁２１により吸気ポート１９が閉止されると、高圧燃料噴霧は点火プラグ２８の近傍に滞留して成層混合気が生成される。その後、図３−４に示すように、更にピストン１５が上昇して燃焼室１８内の圧力が上昇すると、点火プラグ２８から火花が発生してこの成層混合気に適正に点火される。

また、エンジン１１の中負荷運転領域では、図４に示すように、吸気弁２１は吸気行程で吸気ポート１９を開放すると共に圧縮行程の上死点近傍（ＴＤＣ近傍）で吸気ポート１９を開放し、インジェクタ２７は吸気行程及び圧縮行程の上死点近傍の両方で高圧燃料を噴射してから、点火プラグ２８により点火されることとなる。即ち、エンジン１１の中負荷運転領域は弱成層運転領域であり、リーン運転を実現することができる。

即ち、図５−１に示すように、ピストン１５が下降する吸気行程で、吸気弁２１により吸気ポート１９が開放されると共にインジェクタ２７から高圧燃料が噴射される。すると、吸気ポート１９の空気が燃焼室１８内に吸入されると共に、高圧燃料噴霧が吸気弁２１に衝突しないように吸気ポート１９を貫通して燃焼室１８に供給される。その後、図５−２に示すように、更にピストン１５が下降すると、燃焼室１８内で吸気流により燃料噴霧が混合されて均質化される。

そして、図５−３に示すように、ピストン１５が上昇する圧縮行程にて、その上死点近傍で吸気弁２１により吸気ポート１９が開放されると共に、インジェクタ２７から高圧燃料が噴射される。すると、この高圧燃料噴霧は、吸気弁２１に衝突しないように吸気ポート１９を貫通し、燃焼室１８における点火プラグ２８の近傍に至る。このとき、燃焼室１８に比べて吸気ポート１９が低圧状態にあるため、燃焼室１８から吸気ポート１９への若干の混合気の逆流が発生するが、インジェクタ２７から噴射される燃料は高圧であるため、高圧燃料は混合気に逆流に対抗して確実に燃焼室１８に供給され、このときに燃料の適度な噴霧蒸発が促進される。また、吸気ポート１９への混合気の逆流により燃焼室１８内の燃料量が若干減少するが、吸気ポート１９へ逆流した燃料は次回の吸気行程時に、空気と共に燃焼室１８に吸入されるため、空燃比が変動することはない。

その後、図５−４に示すように、この圧縮行程にて、インジェクタ２７からの高圧燃料噴射が終了すると共に吸気弁２１により吸気ポート１９が閉止されると、高圧燃料噴霧は点火プラグ２８の近傍に滞留して希薄な均質混合気をベースとした成層混合気が生成される。その後、更にピストン１５が上昇して燃焼室１８内の圧力が上昇すると、点火プラグ２８から火花が発生してこの成層混合気に適正に点火される。

更に、エンジン１１の高負荷運転領域では、図６に示すように、吸気弁２１は吸気行程で吸気ポート１９を開放すると共に圧縮行程の上死点近傍（ＴＤＣ近傍）で吸気ポート１９を開放し、インジェクタ２７は吸気行程でのみ高圧燃料を噴射してから、点火プラグ２８により点火されることとなる。即ち、エンジン１１の高負荷運転領域は均質運転領域であり、高出力運転を実現することができる。

即ち、図７−１に示すように、ピストン１５が下降する吸気行程で、吸気弁２１により吸気ポート１９が開放されると共にインジェクタ２７から高圧燃料が噴射される。すると、吸気ポート１９の空気が燃焼室１８内に吸入されると共に、高圧燃料噴霧が吸気弁２１に衝突しないように吸気ポート１９を貫通して燃焼室１８に供給される。その後、図７−２に示すように、更にピストン１５が下降すると、燃焼室１８内で吸気流により燃料噴霧が混合されて均質化される。そして、図７−３に示すように、この圧縮行程にて、ピストン１５が上昇すると燃焼室１８全体に均質混合気が生成され、点火プラグ２８から火花が発生してこの成層混合気に適正に点火される。

なお、図示しないが、圧縮行程の上死点近傍で吸気弁２１により吸気ポート１９が開放されるとき、燃焼室１８に比べて吸気ポート１９が低圧状態にあるため、燃焼室１８から吸気ポート１９への若干の混合気の逆流が発生して燃焼室１８内の燃料量が若干減少するが、吸気ポート１９へ逆流した燃料は次回の吸気行程時に、空気と共に燃焼室１８に吸入されるため、空燃比が変動することはない。

ここで、上述した本実施例の内燃機関による燃料噴射制御について、図８のフローチャートに基づいて説明する。

本実施例の内燃機関による燃料噴射制御において、図１及び図８に示すように、ステップＳ１にて、ＥＣＵ３２は、現在のエンジン回転数とエンジン負荷を読み込む。この場合、エンジン回転数は、エンジン回転数センサ３４が検出した検出値であり、エンジン負荷は、例えば、このエンジン回転数と電子スロットル装置２６が検出したスロットル開度（またはアクセル開度）に基づいて算出する。なお、エンジン負荷として、これ以外に燃料噴射量、スロットル開度、アクセル開度、吸入空気量、体積効率、排気ガス温度などを適用しても良い。

ステップＳ１で現在のエンジン回転数及びエンジン負荷が読み込まれると、ステップＳ２にて、ＥＣＵ３２が現在のエンジン回転数及びエンジン負荷に基づき、予め設定された判定マップを用いて現在のエンジン１１の運転状態を判定する。この判定マップは、図９に示すように、エンジン回転数に対するエンジン負荷を表すものであり、エンジン１１の全負荷性能ラインを上限として低負荷運転領域（成層運転領域）、中負荷運転領域（弱成層運転領域）、高負荷運転領域（均質運転領域）に区分されている。

ステップＳ２では、この判定マップを用いて現在のエンジン１１の運転状態を判定し、低負荷運転領域にあれば成層モードとしてステップＳ３に移行し、中負荷運転領域であれば弱成層モードとしてステップＳ４に移行し、高負荷運転領域であれば均質モードとしてステップＳ５に移行する。

そして、ステップＳ３の成層モードでは、吸気行程で吸気ポート１９を開放し、圧縮行程の上死点近傍で吸気ポート１９を開放すると共に高圧燃料を噴射し、燃焼室１８内に成層混合気を形成して点火することで成層燃焼が実行される。従って、この低負荷運転領域ではリーン運転が可能となり、エンジン出力を向上することができると共に燃費を低減することができ、また、圧縮行程噴射時は、燃焼室１８から吸気ポート１９に逆流する吸気に対抗して高圧燃料を確実に燃焼室１８に供給することで、適度な噴霧蒸発が促進されて燃焼室１８の壁面等への燃料付着によるデポジットの堆積を抑制することができると共に、スモークの発生を抑制することができる。

また、ステップＳ４の弱成層モードでは、吸気行程及び圧縮行程の上死点近傍で吸気ポート１９を開放し、インジェクタ２７は吸気行程及び圧縮行程の上死点近傍で吸気ポート１９を開放すると共に両行程で高圧燃料を噴射し、燃焼室１８内に均質混合気をベースとした成層混合気を形成して点火することで弱成層燃焼が実行される。従って、この中負荷運転領域では弱リーン運転が可能となり、燃焼安定性を向上することができると共にエンジン出力を向上することができ、また、圧縮行程噴射時は、燃焼室１８から吸気ポート１９に逆流する吸気に対抗して高圧燃料を確実に燃焼室１８に供給することで、適度な噴霧蒸発が促進されて燃焼室１８の壁面等への燃料付着によるデポジットの堆積を抑制することができると共に、スモークの発生を抑制することができる。

更に、ステップＳ５の均質モードでは、吸気行程で吸気ポート１９を開放すると共に高圧燃料を噴射し、燃焼室１８全体に均質混合気を形成して点火することで均質燃焼が実行される。従って、この高負荷運転領域では、燃料噴射から点火までに吸気の気流によって燃料と空気が所定時間ミキシングされることで、燃焼室内１８に良好な混合気を形成することができ、燃焼を改善して高出力運転を可能とすることができる。なお、この均質モードでは、圧縮行程の上死点近傍で一時的に吸気ポート１９が開放されて燃焼室１８の混合気が吸気ポート１９へ逆流するが、吸気ポート１９へ逆流した混合気（燃料）は次回の吸気行程で吸気として燃焼室１８に吸入されるため、空燃比が変動することはなく、燃費の悪化も防止される。

また、特に、エンジン１１の高負荷運転状態にて、圧縮行程で吸気ポート１９へ逆流した分の燃料が次回の吸気行程で燃焼室１８に導入されて補正されるため、高負荷運転状態が継続しているときは、空燃比が変動することはない。ところが、エンジン１１の運転状態が高負荷運転状態から低負荷運転状態に移行すると、全体の燃料噴射量が減少するために吸気行程で燃焼室１８に導入される前回の逆流分が増加されて空燃比が変動するおそれがある。この場合、エンジン１１が高負荷運転状態から低負荷運転状態に移行した直後の全体の燃料噴射量を逆流する燃料の分だけ減らすことで、空燃比の大きな変動を防止することができる。なお、エンジン１１の運転状態が高負荷運転状態から中負荷運転状態に移行したときも同様であり、一方、エンジン１１の運転状態が低負荷運転状態や中負荷状態から高負荷運転状態に移行したときには、移行した直後の全体の燃料噴射量を逆流する燃料の分だけ増やすことで、空燃比の大きな変動を防止することができる。

このように本実施例の内燃機関にあっては、吸気ポート１９を通して燃焼室１８に高圧燃料を噴射可能なインジェクタ２７を吸気弁２１の近傍に設け、エンジン１１の低負荷運転状態に、ピストン１５の圧縮行程時における上死点近傍で吸気弁２１により吸気ポート１９を開放すると共に、インジェクタ２７により高圧燃料を噴射するようにしている。

従って、圧縮行程時に、燃焼室１８から吸気ポート１９に逆流する吸気に対抗して高圧燃料を確実に燃焼室１８に供給することで、点火プラグ２８の周囲に良好な成層混合気を形成してスモークの発生を抑制することができ、また、圧縮行程時における上死点近傍でこの吸気の逆流が発生することで、実際の圧縮比を下げて膨張比を高くすることができ、その結果、エンジン出力を向上することができると共に燃費を低減することができ、また、燃焼室１８の壁面等への燃料付着によるデポジットの堆積を抑制することができる。

また、本実施例では、ピストン１５の吸気行程時及び圧縮行程時に吸気弁２１により吸気ポート１９を開放し、エンジン１１の低負荷運転領域では、圧縮行程時における上死点近傍で高圧燃料を吸気ポート１９から燃焼室１８に供給し、中負荷運転領域では、吸気行程時と圧縮行程時における上死点近傍で高圧燃料を吸気ポート１９から燃焼室１８に供給し、高負荷運転領域では、吸気行程時に高圧燃料を吸気ポート１９から燃焼室１８に供給するようにしている。

従って、エンジン１１の低負荷運転状態では、リーン運転が可能となり、エンジン出力を向上することができると共に燃費を低減することができ、中負荷運転状態でも、弱リーン運転が可能となり、燃焼安定性を向上することができると共にエンジン出力を向上することができ、高負荷・高回転域まで成層燃焼を可能として燃費を低減することができ、また、吸気ポート１９に逆流する吸気に対抗して高圧燃料を確実に燃焼室１８に供給することで、適度な噴霧蒸発が促進されて燃焼室１８の壁面等への燃料付着によるデポジットの堆積を抑制することができる。更に、高負荷運転状態では、燃料噴射から点火までに吸気の気流によって燃料と空気が所定時間ミキシングされることで、燃焼室内１８に良好な混合気を形成することができ、燃焼を改善して高出力運転を可能とすることができる。

なお、上述した実施例にて、エンジン１１が中負荷運転領域及び高負荷運転領域にあるとき、吸気行程で吸気ポート１９を開放してこの吸気行程の初期にインジェクタ２７から高圧燃料を噴射したが、この高圧燃料の噴射時期はこの時期に限るものではなく、図４および図６に矢印で表した範囲であればよい。まだ吸気ポート１９が開放されていない排気行程中期から吸気行程初期に燃料を噴射すると、吸気ポート１９内でのミキシング時間が増加して燃料の気化が促進し、良好な混合気を燃焼室１８内に導入することができる。一方、吸気ポート１９が開放し始めた吸気行程初期から中期に燃料を噴射すると、燃料噴霧が吸気ポート１９の壁面や吸気弁２１に衝突して付着しにくくなり、燃料を確実に燃焼室１８に供給することができる。この高圧燃料の噴射時期は、エンジン性能、吸気ポートの形状、インジェクタの取付位置や角度などに応じて最適な時期を設定すればよく、また、エンジン運転状態に応じて変更するようにしても良い。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、燃料噴射手段を吸気弁の近傍に設け、内燃機関の運転状態に応じて圧縮行程時における上死点近傍で吸気ポートを通して燃焼室に高圧燃料を供給するようにしたものであり、いずれの形式の内燃機関に適用して有用である。

本発明の一実施例に係る内燃機関を表す概略構成図である。本実施例の内燃機関の低負荷運転領域における燃料噴射タイミングを表すタイムチャートである。本実施例の内燃機関の低負荷運転領域における吸気行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関の低負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関の低負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関の低負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関の中負荷運転領域における燃料噴射タイミングを表すタイムチャートである。本実施例の内燃機関の中負荷運転領域における吸気行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関の中負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関の中負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関の中負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関の高負荷運転領域における燃料噴射タイミングを表すタイムチャートである。本実施例の内燃機関の高負荷運転領域における吸気行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関の高負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関の高負荷運転領域における圧縮行程を表す概略図である。本実施例の内燃機関における燃料噴射制御のフローチャートである。本実施例の内燃機関における燃料噴射制御を実行するための運転領域を表す判定マップである。

符号の説明

１１エンジン
１５ピストン
１８燃焼室
１９吸気ポート
２０排気ポート
２１吸気弁
２２排気弁
２７インジェクタ（高圧燃料噴射手段）
２８点火プラグ
３２電子制御ユニット、ＥＣＵ（燃料噴射制御手段）

Claims

燃焼室と、該燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートと、ピストンの吸気行程時及び圧縮行程時に前記吸気ポートを開放する吸気弁と、前記ピストンの排気行程時に前記排気ポートを開放する排気弁と、前記吸気ポートを通して前記燃焼室に高圧燃料を噴射可能な高圧燃料噴射手段と、内燃機関の運転状態に応じて前記ピストンの圧縮行程時における上死点近傍で前記高圧燃料噴射手段から高圧燃料を噴射する燃料噴射制御手段とを具えたことを特徴とする内燃機関。
燃焼室と、該燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートと、ピストンの吸気行程時及び圧縮行程時に前記吸気ポートを開放する吸気弁と、前記ピストンの排気行程時に前記排気ポートを開放する排気弁と、前記吸気ポートを通して前記燃焼室に高圧燃料を噴射可能な高圧燃料噴射手段と、内燃機関の運転状態に応じて前記吸気弁により前記吸気ポートを開放すると共に前記高圧燃料噴射手段から高圧燃料を噴射する燃料噴射制御手段とを具え、該燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の低負荷運転領域では、前記圧縮行程時における上死点近傍で前記高圧燃料を噴射し、前記内燃機関の中負荷運転領域では、前記排気行程時または前記吸気行程時と前記圧縮行程時における上死点近傍で前記高圧燃料を噴射し、前記内燃機関の高負荷運転領域では、前記排気行程時または前記吸気行程時に前記高圧燃料を噴射することを特徴とする内燃機関。
請求項１または２記載の内燃機関において、前記高圧燃料噴射手段は、前記圧縮行程時に前記吸気ポートが開放されることで前記燃焼室から前記吸気ポートに逆流する吸気に対抗して燃料を前記燃焼室に供給可能な圧力で燃料噴射を実行することを特徴とする内燃機関。